Die Zusammensetzung eines Metalls, d. h. die darin enthaltenen Elemente und deren Anteile, bestimmt letztendlich seine Gruppenzugehörigkeit, seine Eigenschaften und seine Anwendungsbereiche. Auf der Grundlage ihrer Zusammensetzung werden Metalle im Allgemeinen in drei Gruppen eingeteilt: Eisenmetalle, Nichteisenmetalle und Legierungen.
Die Eisengruppe besteht hauptsächlich aus Eisen. Um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen, können geringe Mengen anderer Metalle oder Elemente wie Kohlenstoff, Mangan, Nickel, Chrom, Silizium, Titan und Wolfram beigemischt werden. Nichteisenmetalle hingegen enthalten kein Eisen. Zu den gängigen reinen Metallen zählen Aluminium, Kupfer, Blei, Zink, Zinn, Silber und Gold. Eine Legierung ist ein neues Metall, das durch Vermischen von zwei oder mehr Metallen – und manchmal auch anderen Elementen – entsteht. Zu den insgesamt am häufigsten verwendeten Metallen gehören Eisen, Aluminium, Kupfer, Titan, Zink und Magnesium.
Eisen ist der Grundbestandteil von Stahl. Wenn dem Eisen Kohlenstoff, ein Nichtmetall, in Mengen von bis zu 2,1 % beigemischt wird, entsteht eine Legierung, die als Stahl bezeichnet wird. Allgemeiner ausgedrückt ist Stahl eine Legierung aus Eisen und anderen Elementen wie Kohlenstoff, Mangan, Phosphor, Schwefel, Nickel, Chrom, Wolfram, Niob (Columbium) und Titan. Jedes Element, das der Eisenbasis beigemischt wird, beeinflusst die Eigenschaften des Stahls, und diese Legierungszusätze sind für viele der Unterschiede zwischen den verschiedenen Stahlsorten und -güten verantwortlich.
Je nach Kohlenstoffgehalt werden Stähle in drei Hauptgruppen unterteilt. Zu den kohlenstoffarmen Stählen gehören die Sorten von AISI 1005 bis AISI 1026 sowie IF-, HSLA-, TRIP- und TWIP-Stähle. Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt reichen von AISI 1029 bis AISI 1053, und Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt reichen von AISI 1055 bis AISI 1095.
Gemäß der EN-Norm werden Stahlsorten stattdessen in mehrere Gruppen unterteilt: unlegierte Stähle (z. B. EN DC01 bis DC06, S235 und S275), legierte Stähle (z. B. 20CrMo4 und 25CrMo4), rostfreie Stähle, Werkzeugstähle (z. B. DIN-EN 1.1545, AISI/SAE W110 sowie DIN-EN 1.2436 oder AISI/SAE D6), Stähle für Bleche und Bänder sowie Stähle für Elektrobleche und -bänder (z. B. EN 1.0890 und EN 1.0803).
Die Aluminiumindustrie verwendet Aluminium in Form von Guss- und Knetlegierungen. Diese beiden Klassen lassen sich anhand ihrer chemischen Zusammensetzung und der Festigkeitsbezeichnung weiter in Gruppen unterteilen. Nach dem allgemein anerkannten CEN-Normsystem lassen sich die gängigsten Aluminiumgüten in folgende Serien einteilen:
Titanlegierungen werden weniger nach einem einzelnen Element als vielmehr nach dem Gleichgewicht der Eigenschaften gruppiert, das sich aus ihrer Zusammensetzung ergibt. Durch die Anpassung der Legierungszusätze – vor allem Aluminium, Vanadium, Molybdän, Zinn, Zirkonium und Palladium – lässt sich das Metall in eine von drei praktischen Kategorien einordnen: Korrosionsbeständigkeit, hohe Festigkeit oder Hochtemperaturbeständigkeit.
Die Gruppe der korrosionsbeständigen Werkstoffe basiert auf handelsüblichem reinem Titan (Güten 1 bis 4) und leicht legierten Varianten, denen geringe Mengen an Palladium oder Molybdän und Nickel beigemischt werden, um die Beständigkeit in aggressiven chemischen Umgebungen zu verbessern. Da die Festigkeit hier keine vorrangige Rolle spielt, bleiben diese Zusammensetzungen nahe am reinen Titan. Typische Beispiele sind die Ti-Pd-Sorten (7, 11, 16 und 17) sowie Ti-0,3Mo-0,8Ni (Sorte 12), die vor allem in der chemischen Verarbeitung und im maritimen Bereich zum Einsatz kommen.
Die Gruppe der hochfesten Legierungen enthält größere Mengen an Aluminium und Vanadium sowie häufig Molybdän, Chrom oder Zinn, um die mechanische Festigkeit für den Einsatz in Konstruktions- und tragenden Bauteilen zu erhöhen. Das „Arbeitstier“ dieser Gruppe und der gesamten Titanindustrie ist Ti-6Al-4V (Güteklasse 5). Weitere Beispiele sind Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-10V-2Fe-3Al und Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al, die alle entwickelt wurden, um eine hohe Festigkeit zu bieten und gleichzeitig das für Titan charakteristische geringe Gewicht beizubehalten.
Die Hochtemperaturgruppe ist so ausgelegt, dass sie ihre Festigkeit beibehält und bei erhöhten Temperaturen kriechfest bleibt, wodurch sich diese Legierungen für Motor- und andere Heißbereichskomponenten eignen. Ihre Zusammensetzungen bestehen typischerweise aus einer Kombination von Aluminium und Zinn mit Zirkonium, Molybdän und geringen Siliziumzusätzen, die die Hochtemperaturstabilität verbessern. Zu den repräsentativen Sorten gehören Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, die IMI-Serie wie beispielsweise IMI 685 und IMI 834 sowie TIMETAL 1100.
Der Reinheitsgrad oder die Feinheit von Gold in Schmuckstücken wird durch die Karatzahl angegeben. 24-Karat-Gold (24K) ist die reinste Klasse von Schmuckgold. Es wird auch als Feingold bezeichnet und hat einen Reinheitsgrad von über 99,7 %. Proof-Gold ist mit einer Reinheit von über 99,95 % noch feiner, wird jedoch ausschließlich zu Standardisierungszwecken verwendet und ist nicht als Schmuck erhältlich.
Die am häufigsten verwendeten Formen von Kupfer und seinen Legierungen sind Messing und Bronze. Messing ist eine Kupfer-Zink-Legierung mit einem Zinkanteil zwischen 5 % und 42 %, wie beispielsweise CuZn28, CuZn37 und CuZn42. Die deutsche Bezeichnung lautet „Messing“ (beispielsweise entspricht Ms58 der Legierung CuZn42), und Messing hat in der Regel eine gelbe Farbe.
Eine Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und anderen Metallen. Am häufigsten wird Zinn verwendet (zum Beispiel CuSn6, CuSn10 und CuSn14), gefolgt von Phosphor (zum Beispiel PB1C, PB4C, PB3 und LPB1C) sowie Mangan (z. B. HTB1, HTB2 und HTB3); Bronzen können jedoch auch Aluminium (z. B. AB1C und AB2C) und Blei (z. B. LG1C, LG2C und LG3C) enthalten.
Die Metallzusammensetzung ist nur ein Aspekt, um zu verstehen, wie Werkstoffe definiert, verglichen und ausgewählt werden. Um sich ein umfassendes Bild zu verschaffen, lesen Sie die entsprechenden Artikel in unserer Reihe zum Thema „Metalle“. Erfahren Sie in „Metalleigenschaften“, wie das physikalische und mechanische Verhalten von Werkstoffen beschrieben wird, und erfahren Sie in „Metallgüten“ mehr darüber, wie Werkstoffe in Familien eingeteilt werden. Machen Sie sich in „Metallspezifikationen“ mit den Dokumenten vertraut, die Werkstoffe definieren, und lernen Sie in „Metallnormen“ die vereinbarten Rahmenbedingungen kennen, denen diese unterliegen. Entdecken Sie schließlich in „Metalläquivalente und Querverweise“, wie Bezeichnungen aus verschiedenen Systemen miteinander abgeglichen werden. Zusammen verbinden diese Leitfäden Zusammensetzung, Eigenschaften, Güteklassen, Spezifikationen, Normen und Äquivalenzen zu einer einzigen, miteinander verknüpften Referenz.
Metalle werden je nach Zusammensetzung in drei Gruppen eingeteilt: Eisenmetalle, die hauptsächlich aus Eisen bestehen; Nichteisenmetalle, die kein Eisen enthalten; und Legierungen, die durch die Verbindung von zwei oder mehr Metallen oder Elementen entstehen. Die jeweiligen Elemente und ihre Anteile bestimmen die Eigenschaften der einzelnen Metalle.
Durch die Zugabe von Kohlenstoff zu Eisen in Mengen von bis zu 2,1 % entsteht Stahl. Anhand des Kohlenstoffgehalts werden drei Hauptgruppen unterschieden: kohlenstoffarme Stähle (AISI 1005 bis 1026), Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (AISI 1029 bis 1053) und kohlenstoffreiche Stähle (AISI 1055 bis 1095). Andere Elemente wie Mangan, Chrom und Nickel beeinflussen die Eigenschaften zusätzlich.
Aluminium wird in Form von Guss- und Knetlegierungen verwendet, die je nach ihren Hauptlegierungselementen in Serien unterteilt sind, von der 1xxx-Serie (im Wesentlichen reines Aluminium) bis hin zur 8xxx-Serie. Jede Serie zeichnet sich durch eine ganz eigene Kombination von Eigenschaften aus.
Messing ist eine Kupfer-Zink-Legierung mit einem Zinkanteil zwischen 5 % und 42 % und hat in der Regel eine gelbe Farbe. Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und anderen Metallen, meist Zinn, aber auch Phosphor, Mangan, Aluminium oder Blei.
Die Karatzahl gibt den Reinheitsgrad oder die Feinheit des Goldes an. 24-Karat-Gold (Feingold) hat einen Reinheitsgrad von über 99,7 % und ist damit die reinste in der Schmuckherstellung verwendete Güteklasse. Proof-Gold mit einem Reinheitsgrad von über 99,95 % wird ausschließlich zu Standardisierungszwecken verwendet und ist für Schmuck nicht erhältlich.